JP2011129559A - Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関するものであり、特に、半導体装置における半田バンプの下に形成されるアンダーバリアメタル(Under Barrier Metal;以下、UBMという)のパッド部の低応力化構造に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a structure for reducing stress in a pad portion of an under barrier metal (hereinafter referred to as UBM) formed under a solder bump in a semiconductor device. Is.
半導体装置のフリップ実装のためには、電極パッドの上にバンプを設けたバンプ電極構造を採用することが一般的になっている。例えば、特許文献1などでもフリップの工法の例が示されている。これらの工法において、半田を形成した後のプローブ検査や組立後にパッド下に応力が加わり、パッド下にあるトランジスタの特性が変動し回路動作に影響するという課題もある。このため、これらの事項を考慮し、また、その変動の影響を低減することが重要である。
For flip mounting of semiconductor devices, it is common to employ a bump electrode structure in which bumps are provided on electrode pads. For example,
他の例として特許文献2や特許文献3においてもバンプ電極構造が示されている。このようなバンプ電極構造において、パッド上の絶縁膜の段差部にUBMを設ける構造としている。しかし、温度変化によって、この絶縁膜の熱膨張が発生し、ひいてはUBMがパッド部に対して圧縮または引張の応力を発生させる。このため、組立後の使用温度条件によって応力が発生し、半導体装置に形成されたトランジスタの特性変動などを発生することがある。
As other examples,
図12は従来のパッド部の断面図であり、1は基板、2はトランジスタなどの回路素子、3,4,6は配線層、5,7,8は絶縁膜、9はシード層、10はUBM層、11は半田ボールである。
FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional pad portion, where 1 is a substrate, 2 is a circuit element such as a transistor, 3, 4 and 6 are wiring layers, 5, 7 and 8 are insulating films, 9 is a seed layer, and 10 is a seed layer. The UBM
図12において、パッド開口部に対して、開口サイズより大きなサイズでUBM10を形成し、その上に半田バンプを形成したものである。 In FIG. 12, the UBM 10 is formed with a size larger than the opening size with respect to the pad opening, and the solder bump is formed thereon.
このデバイスを室温または低温にしたときには、パッド下には、図13に示すような応力が発生する。逆に、非常に低い温度でUBMを形成した場合は、高温において大きな応力が発生する。 When this device is brought to room temperature or low temperature, stress as shown in FIG. 13 is generated under the pad. On the other hand, when the UBM is formed at a very low temperature, a large stress is generated at a high temperature.
上述したように、UBM段差部で応力が発生し、特に室温または低温としたときに、図13のような応力が発生する。この応力によりトランジスタの特性も比例して変動し、特にNchでは、図13のようにトランジスタの特性変動が発生する。 As described above, stress is generated at the UBM stepped portion, and particularly at room temperature or low temperature, stress as shown in FIG. 13 is generated. Due to this stress, the characteristics of the transistor also vary in proportion. In particular, in Nch, the characteristics of the transistor vary as shown in FIG.
また、図14に示すように、温度特性は、低温ではより大きな変動を発生し、高温においても同じ方法の応力が発生する。 Further, as shown in FIG. 14, the temperature characteristic varies more greatly at a low temperature, and stress of the same method is generated even at a high temperature.
トランジスタの特性変動は、回路動作に影響を与え、タイミングマージンが厳しくなり回路誤動作を発生させるという課題がある。 Variations in transistor characteristics affect circuit operation, causing a problem that the timing margin becomes severe and causes circuit malfunction.
そこで、本発明の目的は、上述のような問題を解決するパッド構造部を備えた半導体装置およびその製造方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a pad structure that solves the above-described problems and a method for manufacturing the same.
本発明の第1の手段は、
基板上に形成された電極パッドと、
前記電極パッド上に形成され、かつ前記電極パッドの一部が露出するような第1の開口部を有する第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に形成され、かつ前記第1の開口部における少なくとも一部が露出するような第2の開口部を有する第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜および前記電極パッドの上に形成されたアンダーバリアメタルとを備えたデバイスであって、
前記デバイスの前記電極パッドは、樹脂基板のパッドと接続されて組立され、前記デバイスの使用温度範囲内において、組立後のパッド部の応力の最大値および最小値の応力方向が逆であるように設定した構成の半導体装置とする。
The first means of the present invention is:
An electrode pad formed on the substrate;
A first insulating film having a first opening formed on the electrode pad and exposing a part of the electrode pad;
A second insulating film formed on the first insulating film and having a second opening so that at least a part of the first opening is exposed;
A device comprising an under barrier metal formed on the second insulating film and the electrode pad,
The electrode pad of the device is assembled while being connected to the pad of the resin substrate, and the stress direction of the maximum value and the minimum value of the pad portion after assembly is reversed within the operating temperature range of the device. The semiconductor device has the set configuration.
本発明の第2の手段は、
前記第2の絶縁膜の膜厚は、前記アンダーバリアメタルまたは、アンダーバリアメタルの上に形成されたメタル厚よりも薄い構造の第1の手段に記載の半導体装置とする。
The second means of the present invention is:
The thickness of the second insulating film is the semiconductor device described in the first means having a structure that is thinner than the thickness of the under barrier metal or the metal formed on the under barrier metal.
本発明の第3の手段は、
前記第2の絶縁膜の開口サイズが、前記第1の絶縁膜上の開口サイズより大きい構造の第1の手段に記載の半導体装置とする。
The third means of the present invention is:
The semiconductor device according to the first means, wherein the opening size of the second insulating film is larger than the opening size on the first insulating film.
本発明の第4の手段は、
デバイスの通常使用時の温度範囲のある温度で、組立後の前記パッド部の応力がほぼ無くなる状態の構造の第1の手段に記載の半導体装置とする。
であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置とする。
The fourth means of the present invention is:
The semiconductor device according to the first means has a structure in which the stress of the pad portion after assembly is substantially eliminated at a temperature within a temperature range during normal use of the device.
The semiconductor device according to
本発明の第5の手段は、
基板上に電極パッドを形成する工程と、
前記電極パッド上に形成され、かつ、前記電極パッドの一部が露出するような第1の開口部を有する第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜上に形成され、かつ、前記第1の開口部における少なくとも一部が露出するような第2の開口部を有する第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜および前記電極パッドの上に形成されたアンダーバリアメタルを形成する工程を有して、デバイスが形成され、
前記デバイスのアンダーバリアメタルが形成される工程の温度が、デバイスの使用温度の範囲内である構成の半導体装置の製造方法とする。
The fifth means of the present invention is:
Forming an electrode pad on the substrate;
Forming a first insulating film formed on the electrode pad and having a first opening that exposes a portion of the electrode pad;
Forming a second insulating film formed on the first insulating film and having a second opening such that at least a part of the first opening is exposed;
Forming a device having a step of forming an under barrier metal formed on the second insulating film and the electrode pad;
A method of manufacturing a semiconductor device having a configuration in which the temperature of the step of forming the under barrier metal of the device is within the range of the device operating temperature.
本発明によれば、第2の絶縁膜および電極パッドの上に形成されたアンダーバリアメタルを、例えば、デバイスの使用温度範囲内の通常使用する温度で形成することにより、この温度付近で応力がほとんど発生しない状況とし、使用温度範囲で最大応力と最小応力が逆方向で、使用温度範囲全体として応力を最小限に抑制および低減することができる。 According to the present invention, by forming the under barrier metal formed on the second insulating film and the electrode pad, for example, at a temperature that is normally used within the operating temperature range of the device, the stress is increased around this temperature. It is possible to suppress and reduce the stress to the minimum in the entire use temperature range, with the situation where almost no occurrence occurs and the maximum stress and the minimum stress are reversed in the use temperature range.
さらに、第2の絶縁膜の薄膜化や、パッド部横には熱膨張の大きな第2の絶縁膜をなくし、パッド部横は熱膨張の小さな第1の絶縁膜とする構造により、より応力を低減することが可能である。 Furthermore, the second insulating film is thinned, the second insulating film having a large thermal expansion is eliminated beside the pad portion, and the first insulating film having a small thermal expansion is removed beside the pad portion, thereby further stressing. It is possible to reduce.
このように応力を低減することにより、トランジスタの特性変動を抑制することができ、ひいては、回路動作マージンを確保でき、安定した動作を可能とすることができる。特に、プロセスの微細化によって、トランジスタ特性のばらつきをより抑制する必要があり、本効果は重要なものである。 By reducing the stress in this way, it is possible to suppress the characteristic variation of the transistor, and thus to secure a circuit operation margin and to enable a stable operation. In particular, it is necessary to further suppress variation in transistor characteristics by miniaturization of the process, and this effect is important.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施形態である半導体装置のパッド部の断面図、図2は本実施形態におけるパッド部の応力の温度特性を示す図、図3〜図7は本実施形態の製造プロセスフロー例を示す図である。 1 is a cross-sectional view of a pad portion of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing temperature characteristics of stress in the pad portion in the present embodiment, and FIGS. 3 to 7 are manufacturing process flows of the present embodiment. It is a figure which shows an example.
1は基板、2はトランジスタなどの回路素子、3は第1の配線層、4は第2の配線層、5は絶縁膜、6は第3の配線層(電極パッド)、7は第1の絶縁膜、8は第2の絶縁膜、9はシード層(UBMの一部)、10はUBM層、11は半田ボール、12はレジストである。 1 is a substrate, 2 is a circuit element such as a transistor, 3 is a first wiring layer, 4 is a second wiring layer, 5 is an insulating film, 6 is a third wiring layer (electrode pad), and 7 is a first wiring layer An insulating film, 8 is a second insulating film, 9 is a seed layer (a part of UBM), 10 is a UBM layer, 11 is a solder ball, and 12 is a resist.
本実施形態の構成は、基板1にトランジスタなどの回路素子2を形成し、回路素子2の上に第1の配線層3を形成し、さらに、その上に第2の配線層4を形成し、絶縁膜5を形成し、さらに、その上にパッドメタルとなる第3の配線層6を形成する。そして、第1の絶縁膜7を形成した後、パッド部を開口する。第1の絶縁膜7は、SiNx、SiONおよびSiO2などで形成され、例えば0.5〜1μm程度である。
In the configuration of the present embodiment, a
この後、ポリイミドなどの第2の絶縁膜である有機絶縁膜8を形成する。この有機絶縁膜8は、最終的にパッド部に半田バンプを形成したときの応力緩和の効果も鑑み、ここでは、前記第1の絶縁膜7の開口より小さい開口で構成している。例えば、有機絶縁膜8のパッド開口は60μm程度としている。
Thereafter, an organic
また、有機絶縁膜8の厚さは3〜10μm程度としている。この有機絶縁膜8により、半田バンプの横方向の応力を抑制すると共に、縦方向の応力も緩和する構造としている。この後、パッド用メタルである第3の配線層6に対して、UBM層10をパッド開口部より大きな1つのUBMとして形成している。UBM層10は、チップの例えばアルミなどで形成された第3の配線層6との密着性と、この後に形成する半田との密着を確保するためのものである。
The thickness of the organic
半田の形成方法としては、図1に示すような半田ボール11の搭載や、半田印刷法で形成することが可能である。その他、半田めっき法があるが、これについては後述する。
As a solder formation method, it is possible to form the
UBM層10の具体的な製造プロセスフローとしては、図3に示すように、上述した有機絶縁膜8を形成した後、図4に示すように、有機絶縁膜8の開口後にシード層9を形成し、その後、UBM層10を形成したい部分以外にレジスト12を形成する。
As a specific manufacturing process flow of the
次に、図5に示すように、電解めっきにより、例えばNiなどでUBM層10を形成する。UBM層10の最終上面にはAuなどをめっきしている。その後、図6に示すように、レジスト12を除去し、形成されたUBM層10をマスクとして、さらに図7に示すように、UBM層10のない部分のシード層9を除去する。ここで本例では、UBM層10の膜厚は5〜10μm程度、半田サイズは80〜100μm程度としている。
Next, as shown in FIG. 5, the
そして、シード層9を除去した後、図8に示す半田ボール11の搭載や半田印刷により半田を形成する。
Then, after removing the
本実施形態のパッド構造では、UBM層10の形成温度を略50℃程度とし、図2に示すように、50度付近において応力はほとんどなくなるような状況である。低温および高温では応力は逆方向(A点およびB点)に発生するような構成としている。本実施形態では回路素子2を50℃付近で通常使用する場合を想定しており、応力を極力小さくするものである。
In the pad structure of the present embodiment, the
本実施形態によれば、デバイスの通常使用温度範囲で、段差部での応力を緩和する構造になる。 According to this embodiment, it becomes a structure which relieve | moderates the stress in a level | step-difference part in the normal use temperature range of a device.
本発明の実施形態の変形例1について、図8の断面図、図9の応力の温度特性を示す図を参照して説明する。
本変形例1では、前記実施形態の構成に比べて、ポリイミドやPBOなどの第2の絶縁膜8の厚さを薄くした構成にしている。このように薄くすることにより、応力による収縮値の絶対値が小さくなるため、応力は低減される。
In the first modification, the thickness of the second
実際には、図9に示すように、前記実施形態に比べて低温および高温時の応力は低減されるという効果がある。 Actually, as shown in FIG. 9, there is an effect that the stress at the low temperature and the high temperature is reduced as compared with the embodiment.
本発明の実施形態の変形例2について、図10の断面図、図11の応力の温度特性を示す図を参照して説明する。
本変形例2では、前記実施形態に比べて、ポリイミドやPBOなどの第2の絶縁膜8の開口サイズを大きくすることによって、第2の絶縁膜8の収縮の影響を少なくすることができる。
In the second modification, the influence of the shrinkage of the second
変形例2の応力としては、図11に示すように、前記変形例1よりさらに低応力化が可能となる。 As shown in FIG. 11, the stress of the second modification can be further reduced than that of the first modification.
本発明は、フリップチップ用のパッド部の段差部上のアンダーバリアメタル(UBM)による応力低減構造の半導体装置であって、段差部に応力が発生しにくい応力設定、および構造として段差の抑制、絶縁膜の収縮抑制を行い低応力化構造が要求される半導体装置に有効である。 The present invention relates to a semiconductor device having a stress reduction structure using an under barrier metal (UBM) on a step portion of a pad portion for a flip chip, in which a stress is set so that stress is not easily generated in the step portion, and the step is suppressed as a structure. This is effective for a semiconductor device that requires a stress-reducing structure by suppressing the shrinkage of the insulating film.
1 基板
2 回路素子
3 第1の配線層
4 第2の配線層
5 絶縁膜
6 第3の配線層(電極パッド)
7 第1の絶縁膜
8 第2の絶縁膜
9 シード層(UBMの一部)
10 UBM(アンダーバリアメタル)層
11 半田ボール
12 レジスト
DESCRIPTION OF
7 First insulating
10 UBM (Under Barrier Metal)
Claims (5)
前記電極パッド上に形成され、かつ前記電極パッドの一部が露出するような第1の開口部を有する第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に形成され、かつ前記第1の開口部における少なくとも一部が露出するような第2の開口部を有する第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜および前記電極パッドの上に形成されたアンダーバリアメタルとを備えたデバイスであって、
前記デバイスの前記電極パッドは、樹脂基板のパッドと接続されて組立され、前記デバイスの使用温度範囲内において、組立後のパッド部の応力の最大値および最小値の応力方向が逆であるように設定されたことを特徴とする半導体装置。 An electrode pad formed on the substrate;
A first insulating film having a first opening formed on the electrode pad and exposing a part of the electrode pad;
A second insulating film formed on the first insulating film and having a second opening so that at least a part of the first opening is exposed;
A device comprising an under barrier metal formed on the second insulating film and the electrode pad,
The electrode pad of the device is assembled by being connected to the pad of the resin substrate, and the stress direction of the maximum value and the minimum value of the pad portion after assembly is reversed within the operating temperature range of the device. A semiconductor device characterized by being set.
前記電極パッド上に形成され、かつ前記電極パッドの一部が露出するような第1の開口部を有する第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜上に形成され、かつ前記第1の開口部における少なくとも一部が露出するような第2の開口部を有する第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜および前記電極パッドの上に形成されたアンダーバリアメタルを形成する工程を有して、デバイスが形成され、
前記デバイスの前記アンダーバリアメタルが形成される工程の温度が、前記デバイスの使用温度の範囲内であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an electrode pad on the substrate;
Forming a first insulating film formed on the electrode pad and having a first opening such that a part of the electrode pad is exposed;
Forming a second insulating film formed on the first insulating film and having a second opening such that at least a part of the first opening is exposed;
Forming a device having a step of forming an under barrier metal formed on the second insulating film and the electrode pad;
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a temperature of the step of forming the under barrier metal of the device is within a range of a use temperature of the device.
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WO2022249500A1 (en) * | 2021-05-27 | 2022-12-01 | 石原ケミカル株式会社 | Structure comprising under barrier metal and solder layer, and method for producing structure |
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WO2022249500A1 (en) * | 2021-05-27 | 2022-12-01 | 石原ケミカル株式会社 | Structure comprising under barrier metal and solder layer, and method for producing structure |
JP2022182186A (en) * | 2021-05-27 | 2022-12-08 | 石原ケミカル株式会社 | Structure including under-barrier metal and solder layer |
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